[发明专利]一种原位复合锂电池负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种原位复合锂电池负极材料及其制备方法和应用，所述原位复合锂电池负极材料为核壳结构，粒径为2nm‑100um，包括内核和壳层；内核为负极活性物质和固态电解质材料复合而成，其中负极活性物质和固态电解质材料的质量比在0.001‑1000之间；内核的结构具体包括：固态电解质材料包覆在负极活性物质表面、负极活性物质包覆在固态电解质材料表面、固态电解质材料弥散分布在所述负极活性物质中、负极活性物质弥散分布在固态电解质材料中的一种或者多种。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种原位复合锂电池负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因具有输出电压高、能量密度高、循环寿命长、安全性能好、无记忆效应等特点，作为主要的储能器件成功应用于移动电源领域。为了进一步满足电网储能、电动汽车以及消费类电子产品对储能器件的需求，更长循环寿命、安全性更好、能量密度更高的电极材料以及锂电池体系成为研究热点。传统的锂离子电池采用的电解液体系为溶有锂盐的有机液体，因为过度充电、内部电路等异常导致电解液发热，有自燃或者爆炸的危险，利用无机固态电解质逐步代替有机电解液，形成准固态、半固态以及全固态电池，会比传统使用的有机电解液的锂电池能量密度更高、使用寿命更长、更为安全。

对于准固态、半固态以及全固态电池中，固态电极材料以及极片的开发和制备尤为重要。尤其在准固态、半固态以及全固态电池中，负极材料不再与电解液直接接触，从而避免了形成表面固态电解质层，首周库仑效率升高，大大提高了电池的能量密度。此外由于固态电解质往往电化学窗口较宽，不与金属锂反应或者反应速度缓慢，这使得金属锂作为锂电池负极成为可能。

在固态负极材料开发过程中，固态电解质与负极活性物质之间界面接触状态存在点对点接触、点对面接触以及面对面接触的一种或者多种混合。固态电解质与电极活性物质之间的接触不好，增大了二者之间的接触电阻，会导致整个电池内阻过大，锂离子无法在负极材料和电解质材料之间很好的穿梭，降低了电池容量，造成了较低的耐久性和较高的界面阻抗。

现有的固态负极材料的技术方案中多是将负极活性物质、固态电解质材料、粘结剂、导电添加剂等进行机械混合，或者将负极活性物质和固态电解质材料机械混合后进行高温烧结在进行涂布。然而这种技术方案往往存在负极活性物质与固态电解质材料接触不良、接触方式为点对点接触，以及在循环过程中负极活性物质膨胀引起的负极活性物质和固态电解质材料脱离等问题。

发明内容

本发明提供了一种原位复合锂电池负极材料及其制备方法和应用。该原位复合锂电池负极材料可以用于液态、半固态、全固态电池中，提高电池的循环寿命、倍率性能、安全性能和首周效率。

第一方面，本发明实施例提供了一种原位复合锂电池负极材料，所述原位复合锂电池负极材料为核壳结构，粒径为10nm-100um，包括内核和壳层；

所述内核为负极活性物质和固态电解质材料复合而成，其中负极活性物质和固态电解质材料的质量比在0.001-1000之间；所述内核的结构具体包括：所述固态电解质材料包覆在所述负极活性物质表面、所述负极活性物质包覆在所述固态电解质材料表面、所述固态电解质材料弥散分布在所述负极活性物质中、所述负极活性物质弥散分布在所述固态电解质材料中的一种或者多种；

所述负极活性物质的粒度在2nm-100um之间，形貌为球形、椭球形、多边形、无规则形的一种或多种混合；

所述固态电解质材料的粒度在1nm-10um之间，形貌为球形、多边形、无规则形的一种或多种混合；

所述壳层为碳材料构成的单层膜，厚度为1nm-2um。

优选的，所述锂电池负极活性物质包括：

天然石墨、人造石墨、钛酸锂、软碳、硬碳和硅基材料，以及所述天然石墨、人造石墨、钛酸锂、软碳、硬碳和硅基材料通过改性得到的材料中的一种或者几种的组合；